CN102116624B - 光纤陀螺用基于变调制态调制解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤陀螺用基于变调制态调制解调算法，在每个调制周期内，正向偏置量以某一个量增加，负向偏置量以某一个量减小，这两路信号交替施加到反馈元件上，并通过光纤陀螺本身固定的渡越周期来完成调制。正向偏置增加量和负向偏置减小量主要有如下三种情形：一、确定且相等。二、不相等但确定。三、不相等也不确定，而是一个满足设定函数规律的变量。本发明提出了一种全新的变调试态调制解调算法，该算法能够实现本征调制周期内调制态的规律变化和不同调制态共同工作，从而实现减小电子串扰、消除长期积累漂移误差的目的，这不仅有利于提高陀螺的精度，而且对提高光纤陀螺长期稳定性也有非常重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤陀螺调制解调算法，尤其涉及一种主要用于高精度掺铒光纤陀螺的基于变调制态的调制解调算法。
背景技术
光纤陀螺作为新型惯性仪表，具有无转动部件、测角范围大、长寿命、高灵敏度和高可靠性等优点，目前在国外的军民市场已经普及推广，国内虽起步较晚，但发展速度较快，未来一段时间光纤陀螺必将逐渐替代传统机械陀螺成为惯性应用领域的主流仪表配置方案。
干涉式光纤陀螺设计方案是目前工程应中普遍采用的主要方案，其主要由光学部件和电子部件两部分组成，电子电路设计特别是光纤陀螺数字闭环控制系统的设计已经成为影响光纤陀螺性能的重要组成部分。目前主要采用两态调制和四态调制两种确定调制态调制解调方案，这两种调制方案可能带来以下参数误差：
(1)确定调制波复位期间带来复位误差；
(2)确定调制态调制波强信号产生串扰并作用于探测器输出中；
(3)随时间和环境变化产生确定调制易产生漂移趋势项；
以上误差因素是确定调制态调制解调算法必然存在的。对于高精度掺铒光纤陀螺，其主要应用于超高精度导航级应用领域，对其精度、可靠性以及噪声的要求都非常高。采用确定调制态的数字闭环解调技术的高精度掺铒光纤陀螺虽然能够获得很好的噪声特性，但是由于其确定不变的调制模态，容易产生上述电子串扰、积累漂移误差等缺陷。因此高精度掺铒光纤陀螺必须采取必要的措施对上述误差加以抑制和消除。一般来说解决的方法有两种：一 是改进电路及光学电子部件性能，其总体方案原理框图见图1，图2是高精度光纤陀螺逻辑电路功能图；二是采用全新的调制解调方案对数字闭环控制系统进行优化设计。图3为高精度光纤陀螺中利用阶梯波产生反馈相位图。而从目前的技术水平和工艺水平看，第一种方法成本高且国内器件工艺水平短期无法实现，大部分元器件还达不到理想的要求。所以目前针对超高精度光纤陀螺采取第二种方法，即对产生上述误差因素的调制解调算法进行创新，以无需采用传统的复杂控制电路和算法，但目前实现的效果并不理想。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种主要应用于高精度掺铒光纤陀螺的基于变调制态调制解调算法，该算法能够减小电子串扰，消除长期积累漂移误差。
本发明的技术方案是这样实现的：光纤陀螺用基于变调制态调制解调算法，在每个调制周期内，正向偏置量以某一个量增加，负向偏置量以某一个量减小，这两路信号交替施加到反馈元件上，并通过光纤陀螺本身固定的渡越周期来完成调制。
正向偏置增加量和负向偏置减小量主要有如下三种情形(当然也包括根据这三种情形的衍生)，由此形成三种不同的具体调制解调算法。
一、正向偏置增加量和负向偏置减小量确定且相等，以使偏置调制点以确定的周期循环往复的变化。此调制解调算法可称之为等变偏置量变偏置态调制解调算法。
二、正向偏置增加量和负向偏置减小量不相等但确定，以使两个偏置调制点以各不相同的确定的周期以某一偏置点为中心循环往复的变化。此调制解调算法可称之为非等变偏置量变偏置态调制解调算法。
三、正向偏置增加量和负向偏置减小量不相等也不确定，而是一个满足设定函数规律的变量，以使两个偏置调制点以各不相同的不确定的周期以某 一偏置点为中心循环往复的变化。此调制解调算法可称之为随机非等变偏置量变偏置态调制解调算法。
本发明提出了一种全新的变调试态调制解调算法，该算法能够实现本征调制周期内调制态的规律变化和不同调制态共同工作，从而实现减小电子串扰、消除长期积累漂移误差的目的，这不仅有利于提高陀螺的精度，而且对提高光纤陀螺长期稳定性也有非常重要的作用。
附图说明
图1-高精度光纤陀螺总体方案原理框图。
图2-高精度光纤陀螺逻辑电路功能图。
图3-高精度光纤陀螺中利用阶梯波产生反馈相位图。
图4a-高精度光纤陀螺中等变偏置量变偏置态调制示意图。
图4b-高精度光纤陀螺中非等变偏置量变偏置态调制示意图。
图5-数字逻辑单元变调制态调制解调算法软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明设计了一套基于变调制态的调制解调技术，实现了本征调制周期内不同调制态共同工作。本调制解调技术具有区别于两态调制、四态调制的独有特征，通过优化偏置参数，能够实现多调制态工作，很好地完成高精度光纤陀螺对数字闭环调制解调部分的严苛要求。具体如下：
1.变调制态调制解调算法
对照传统的闭环陀螺的调制方法，变调制态调制解调算法可分为：等变偏置量变偏置态调制、非等变偏置量变偏置态调制、随机非等变偏置量变偏置态调制。
1.1等变偏置量变偏置态调制
闭环光纤陀螺数字闭环控制系统中调制信号与反馈信号共同组合后施加 到反馈元件(Y波导)上。
等变偏置量变调制态调制解调算法是指在每个调制周期内，正向偏置量以一确定的量增加，负向偏置量以一确定的量减小，正向偏置增加量和负向偏置减小量相等，这两路信号交替施加到反馈元件上，并通过光纤陀螺本身固定的渡越周期来完成调制，此等变偏置量变偏置态调制能够实现偏置调制点以一定的周期规律循环往复的变化。假设偏置调制相位用P来表示，确定增量用A表示，则等变偏置量变偏置态调制算法可用如下公式表示：
对Sagnac干涉仪中正向传输的光施加的偏置相位
P＝P+A (1)
对Sagnac干涉仪中反向传输的光施加的偏置相位
P＝P-A (2)
原理示意如图4a所示。
1.2非等变偏置量变偏置态调制
非等变偏置量变调制态调制解调算法是指在每个调制周期内，正向偏置量以一定的量增加，负向偏置量以一定的量减小，正向偏置增加量和负向偏置减小量不相等但确定，这两路调制信号交替施加到反馈元件上，并通过光纤陀螺本身固定的渡越周期来完成调制，此非等变偏置量变偏置态调制能够实现两个偏置调制点以各不相同的确定的周期规律以某一偏置点为中心循环往复的变化。假设偏置调制相位用P来表示，正向增量用A表示，反向增量用B表示，且A≠B，则非等边偏置量变偏置态调制算法可用如下公式表示：
对Sagnac干涉仪中正向传输的光施加的偏置相位
P＝P+A (3)
对Sagnac干涉仪中反向传输的光施加的偏置相位
P＝P-B (4)
原理示意如图4b所示。
1.3随机非等变偏置量变偏置态调制
随机非等变偏置量变调制态调制解调算法是指在每个调制周期内，正向 偏置量以一不确定的量增加，负向偏置量以一不确定的量减小，正向偏置增加量和负向偏置减小量是一个满足设定函数规律的变量且不相等，这两路调制信号交替施加到反馈元件上，并通过光纤陀螺本身固定的渡越周期来完成调制，此非等变偏置量变偏置态调制能够实现两个偏置调制点以各不相同的不确定的周期规律以某一偏置点为中心循环往复的变化。假设偏置调制相位用P来表示，正向增量用A表示，反向增量用B表示，且A≠B，δ为根据需要选用的随机变量，则随机非等变偏置量变偏置态调制算法可用如下公式表示：
对Sagnac干涉仪中正向传输的光施加的偏置相位
P＝P+(A+δ) (5)
对Sagnac干涉仪中反向传输的光施加的偏置相位
P＝P-(B+δ) (6)
1.4基于上述等变偏置量变偏置态调制、非等变偏置量变偏置态调制、随机非等变偏置量变偏置态调制而延伸的其它相关变偏置量调制解调算法。
2.电路部分
光纤陀螺电路部分大致可分为光路控制电路和信号处理电路两部分。光路控制电路主要是用来完成光源驱动和制冷。
信号处理电路主要完成陀螺以调制解调功能为主的数字闭环部分。本专利中的变偏置量调制解调算法在设计上不需要增加陀螺的硬件电路就可完成。
3.软件部分
软件采用Windows操作系统，模块化设计，主要包括几个部分(模块)：初始化、本征周期设定、A/D采样数字解调、陀螺角速率输出、反馈信号生成/偏置信号施加，其关系如图5。
(1)初始化：
完成电路参数初始化。
(2)本征周期设定：
根据陀螺电路参数和光路参数确定陀螺的本征调制周期，作为后续程序运行的基准。
(3)A/D采样数字解调：
Sagnac干涉仪生成干涉误差信号通过光电转换器件后生成电信号通过A/D采样后，通过解调获得角速率误差进行一次积分后生成角速率信号供后续处理使用。
(4)反馈信号生成/偏置信号施加：
数字解调后的误差信号在此部分通过二次积分，生成了阶梯波角误差信号，同时，此处还有设计的变调制态调制量共同施加到陀螺的反馈元件——Y波导上，完成设置偏置工作点和反馈误差信号的功能。
(5)陀螺角速率输出：
根据解调单元获得的陀螺角速率数据的特征对数据进行优化和整理，通过诸如剔出坏数、数字滤波等手段提高原始数据可信度，最终作为陀螺角速率输出。
Claims (2)
1.光纤陀螺用基于变调制态调制解调方法，其特征在于：在每个调制周期内，正向偏置量以某一个量增加，负向偏置量以某一个量减小，这两路信号交替施加到反馈元件上，并通过光纤陀螺本身固定的渡越周期来完成调制；所述正向偏置增加量和负向偏置减小量均为一确定的量且不相等，以使两个偏置调制点以各不相同的确定的周期以某一偏置点为中心循环往复的变化。
2.光纤陀螺用基于变调制态调制解调方法，其特征在于：在每个调制周期内，正向偏置量以某一个量增加，负向偏置量以某一个量减小，这两路信号交替施加到反馈元件上，并通过光纤陀螺本身固定的渡越周期来完成调制；所述正向偏置增加量和负向偏置减小量均为一满足设定函数规律的变量且不相等，以使两个偏置调制点以各不相同的不确定的周期以某一偏置点为中心循环往复的变化。
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